（环境工程专业论文）高速动车组电磁骚扰源建模仿真分析.pdf

j e 塞銮适太堂亟堂僮i 金塞 旦sib i a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1h i 咖s p e e de l e c t r i cm u l t i p l eu m t s ，m o r et r a c t i o nd e v i c e s ，m o r e e l e c t r i c a le q u i p m e n t s 晰l lb ee q u i p p e d ，锄dl l i 曲e r 位i c t i o np o w e r 谢l lb e 蜘e c t e d c o m p 撕n gt 0o r d i l l ；劬嗲d e c t r i c1 0 c o m o t i v e s s i m u l t 锄e o u s l y i tl e a d s t 0aw o r s e e l e c 仃o m 够1 e t i ce n v i r o 衄e n t ，w 址c h r a i s e s 1 e i m p o r t 锄c e o fe l e c 仃o m a g n e t i c 缸e m n c e 觚dc o l p a t i b i l 埘( e m c ) 洫也eo v e r a l ls y s t e md e s i 醇w h e nw e 弱s e s s 也e e m co fa l ee l e 嘶f i e dr a j l 啊哪，at h o r o u 曲锄a l y s i sf o re l e c 臼旧m a g n e t i cd i s n b a n c e s o u r c e s ，、) 1 7 ：址c hi sm er o o to fe l e c 缸d m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ep r o b l e m s ，s h o u l db e 撇d 嬲 吐l ep r i m a r yt 嬲k t h e r el l a v eb e e nal o to fr e s e a r c h e sw o r k j n go nt l l ed i s t u r b a l l c e s o u r c e so fc o m m o ne l e 嘶cl o c o m o t i v e s a n dd o z e n so fp u b l i c a t i o n sl l a v e b e e n 锄o u n c e d h o w e v e r ，m o r em e a i l i n g m lw o r k si i lm ea r e ao ft l l ee l e c t l - o m a g n e t i c e n v i r o i h n e n to fh i 曲- s p e e de l e 嘶cm u l t i p l eu 1 1 i t si su 玛e n t l yn e e d e d i nt h j su 1 e s i s ，w e f o c u so nm r o e 够p i c a le l e 叻0 m a g n e t i ci i l t e r f e r e n c es o u r c e s f i r s t l y ，也e f o 册a t i o nm e c l 觚s mo fd i s t u r b a i l c ev o l t a g ei ss t u d i e d ，w l l i c hi s g e n e r a t e d 、杉h e nm el l i g h s p e e dt r a i l lp a s s i n gt l l r o u 曲m es p l i t p h a s er e 百o n w ee m p l o y m ef 锄o u sc i r c u i ts i m u l a t i o ns o f h v a r et o 锄m y z et h ee q u i v a l e n tc i r c u i t s t h e 锄叩l i t u d e d i 矧b u t i o n so f 也ee l e c 仃0 m a 印e t i c 砷| e r f e l 蜘( e m i ) o ft _ h ed i m 曲a i l c ev o 蛔g ei n d i 脆r e n ti n j t i a lp h a s e so fc a t e n a r i e s v o l t a g ea r eo b t a i n e d s e c o n d l y ，m er a d i od i s n 曲a n c e 谢t hv a r i o u s舭q u e n c y s p e c t n 腿w k c hi s g e n e r a t e d 丘o mm ep a m o 笋印h 觚dc o n t a 供n e 似o r kw h e nt l l e1 1 i 曲- s p e e d 捌np a s s i i l g t h r o u g l lm es p l i t - p h a s er e g i o ni s 锄a l y z e d ；v 撕o u sm o d e l so f t 圭l er a d i od i s n u i b a j l c ea r e s e ta n da i 】m y z e db y ，觚o t i l e r 胁o u ss i m u l a t i o ns o r w a r ei i lt l l ee m ca r e a s o m e c h a r a c t 硎s t i c so fr a d i od i s t u j b 锄c ea r eo b “n e d ，i 1 1 c l u d i n gi t sr a d i op r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c si nd i a e r e n td i r e c t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti se v a l u a t e db yc o m p a r i i l g 、) l ，i 也t l l et e s tr e s u l to ft h er e a l 一仃a i n n l n n i n ge i i r o i m l e n t ，a i l dm ee r r o rb 锄do fr a d i o d i s t i h b a n c ei so b t a i n e d n l i r d l y ，a2 d s 沛u l a t i o nm o d e lo ft l ：屺t m c t i o nm o t o ri s s e ta 1 1 da n a j y z e db y e l e c t r o m a 西e t i cs i m u l a t i o ns o r w a r ew h i c hi sb 鹪e do n 也ef i r l i t ee l e m e n tm e m o d ，t h e d i g t r i b u t i o n so fm a g n e t i cf i e l da r o u i l dt l l em o t o ri nd i 虢r e n tc 蛐r e n t sa i l d 舭q u e n c i e sa r e o b t a i n e d a tl a s tb u tn i 北l e a s t ，a l lm ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c es o u r c e sm e n t i o n e da b o v e a r em e 嬲u r e d s o m ec h a r 犹t e r i s t i c si 1 1t i l t l ed o m a i n 锄df 诧q u e n c yd o m a i na r eo b t a i l l e d a c c 0 r d i n gt 0a b 眦l d 锄tr a w 一g a t h e r e db yn l ee x l 施t sm e n t i o n e da b o v e t h e e x p 嘶m e n tr e s u l t ss h o wm a to u rs i i i l l l l a t i o na p p r o a c hi sr c 嬲o n a b l e 锄dt 1 1 es i i n u l a t i o n r e s m ti sm e 蛐g 矗1 1 k e y w o r d s ：h i g l l 一s 】p e e de l e c t r i cm u l t i p l e 咖t s ；e l e c 昀m a 耐i cd i s t u r b a i l c es 0 u r c e ； a n i c u l a t e dp h 舔ei i l s u l a t o r ；e l e c n 0 m a 印e t i cd i s t u r b 锄c e ；t t a c t i o nm o t o r c l a s s n o ：u 2 2 8 2 ：u 2 2 8 - 3 v 致谢 经过一年多的努力，毕业论文终于完成了，论文的最终完成，得益于众多老 师和同学的指导和帮助。 首先应该感谢的是我的导师闻映红教授，在我攻读硕士学位的两年多时间里， 她给予了我很多的帮助和指导。从专业基础知识的学习到科研能力的培养，从论 文的选题到最终的定稿，闻老师在每一个环节都以她敏锐的视角、渊博的知识和 对科研的谨慎态度给我提出了关键性的指导。闻老师认真的工作态度、严谨的治 学风范都潜移默化的影响了我，让我深深领悟到作为一名科研工作者所应有的业 务素质和道德品质。两年半的求学生涯，闻老师不仅在学业上给予我诸多指导， 在生活上也给予我悉心的关心和照顾，使我在各方面均有了很大的进步，在此向 她表示深深的敬意和衷心的感谢! 在这里，还要感谢实验室的沙斐、周克生、王风兰、朱云、王国栋、崔勇、 陈嵩几位老师，感谢各位老师两年多来在学业和生活上给予我指导和帮助。 同时，还要感谢在实验室一起度过两年半时光的研究生同学们，包括卢怡、 张强、叶畅、冯玉明、杨永亮、柳海明、李哲等，感谢张晓燕师姐和单秦师哥， 感谢他们给予我的无微不至的关心和帮助，和你们的融洽相处在我的人生中留下 了一段美好的回忆，大家之间真挚的友情也必将使我终身受益。 最后，要真诚的感谢我的家人，你们的信任和鼓励是我前进的动力，你们的 关心和支持是我永远坚强的后盾。 向所有关心我、支持我、帮助我的人表示最衷心的谢意，谢谢! ! 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 绪论 高速动车组，是指中国新一代的电动车组，其运行速度为2 0 0k n 地 3 5 0 l ( i 】讹， 最高时速可达4 0 0 k i r l l l ，是世界上商业运营速度最快、系统匹配最优、科技含量最 高的动车组。目前我国已经掌握了高速动车组的核心技术，新一代的高速动车组 已具有完全自主知识产权。从安全运行的角度上，目前国内采用先进的c t c s 一3 级列车控制系统、车载微机故障自动检查和诊断系统，高速动车组已达到了正点 率、可靠性和安全性等方面的完全成熟。 1 1 研究课题的背景和意义 高速动车组是一个庞大而复杂的系统，该系统集高压、变频、网络通信、计 算机控制于一体。其内部密集布置了多种电子设备，这些设备即包括大功率的辐 射信号源又包括小信号、灵敏度较高的传感器和信号设备。此外，高速动车组内 布有多种信号和电源线缆，这些电缆在有限的空间内与列车上的强电和弱电设备 积聚在一起，使得高速动车组的电磁环境极为复杂。在这种恶劣的电磁环境下工 作的车载电子设备极有可能会受到其他电磁干扰源的干扰，从而降低工作性能， 影响列车的安全行驶【l j 。 随着列车速度的提升，高速动车组内部电磁兼容性问题日益凸显。例如，高 速动车组通过关节式电分相区时，由于电路结构的改变将会产生较为显著的电磁 骚扰，其可能会对速度传感器、点式应答器等车载列控设备的正常工作造成干扰； 列车运行过程中产生的无线电噪声会对铁路沿线的通信系统、通信线路( 例如广 播、有线电视、卫星通信、无线通信等) 产生各种影响和干扰，并会对自身g s m r 等无线通信系统造成影响；此外，牵引功率的增加使得牵引电动机等牵引设备周 围低频磁场场强增加，车厢内外的低频磁场极有可能会对心脏起搏器等医疗电子 设备造成干扰，从而危害携带这些医疗设备的旅客的生命安全。 对于高速动车组电磁兼容性能问题的研究主要应从电磁骚扰源、传输途径和 敏感设备这三个基本要素展开，电磁干扰抑制技术则围绕这三个要素采用相应的 措施，包括抑制电磁骚扰源、切断电磁骚扰传输途径、降低敏感设备的敏感性等。 在这三个环节中，对电磁骚扰源的研究分析在解决高速动车组电磁兼容问题中将 起到至关重要的作用，因为只有明晰骚扰源的形成机理和时域、频域特性，才可 能从产生机理着手降低其电磁噪音的水平，从根源上抑制电磁干扰。 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 2 国内外的研究现状 目前，国外对于电气化铁路电磁兼容性能的研究，已经比较成熟和全面，相 关标准也日趋完善，并在不断的修订当中。由欧洲电子技术标准委员会( c d 厄l e c ) 所制定的铁路电磁兼容标准，已被国际电工委员会( m c ) 所采纳并颁布成国际标 准正c 6 2 2 3 6 1 i e c 6 2 2 3 6 5 。这其中i e c 6 2 2 3 6 1 主要总述电气化铁路的电磁现象； i e c 6 2 2 3 6 2 主要描述了电气化铁路系统对外辐射情况，并规定了辐射限值； i e c 6 2 2 3 6 。3 规定了机车车辆及其内部设备的辐射发射限值及抗扰度情况； i e c 6 2 2 3 6 4 主要介绍了铁路信号设备的发射和抗扰度要求；m c 6 2 2 3 6 5 规定了固 定电子电力设备和装置的发射和抗扰度要求。 对于国内而言，为了满足我国电气化铁路电磁兼容工程应用的需求，已颁布 了t b t 3 0 3 4 2 0 0 2 机车车辆电气设备电磁兼容性试验及其限值、雷电及电磁兼 容防护性指导意见、铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定、客运专 线综合接地技术实施办法( 暂行) 等条例。但对于高速铁路而言，由于我国起步 较晚，缺乏深入的理论分析及现场测试数据，所以还没有形成系统的电磁兼容标 准，这一问题亟待解决。 r j h i l l 、s u r a j i t 、r 萄e e vn o t t a p p i l l i l 等人对电气化铁路存在的电磁骚扰源均 做过概要性的介绍【2 】1 3 】【4 j ；文献【1 】、【5 】也曾对高速铁路电磁兼容技术进行了深入探 讨，并列举了高速铁路可能存在电磁骚扰源。电气化铁道内部电磁骚扰源众多， 且其形成机理及干扰特性各不相同，前人对于各种骚扰源均做过不同程度的研究。 文献 6 】、 7 】对列车正常运行时由于受电弓离线过程火花放电所产生的无线电噪声 均做过建模分析，并得出了重要结论；文献【8 】、【9 】对于弓网离线过程所产生过电 压过电流现象进行了深入研究；文献 1 0 】、 1 1 】对于电气化区段地电流的产生及影 响进行了全面探讨；文献f 1 2 】、【1 3 】针对轨道不平衡牵引回流对信号设备及轨道电 路造成的干扰进行了分析，并提出了相应的防护措施。 然而，前人的研究往往是基于普通电力机车，针对于高速动车组则研究较少。 在新的背景之下，对高速动车组典型电磁骚扰源进行深入、彻底的研究，具有重 要的实际意义。 1 3 本文的主要内容与章节安排 高速动车组上电磁骚扰源众多，其形成机理也多种多样，每一种设备及系统 可能既是受扰设备又是干扰源。在对电磁骚扰源进行分析时，最有效的方法应为 理论分析结合现场实测。但由于动车组环境较为特殊，测试往往存在较多困难， 2 北京交通大学硕士学位论文 绪论 例如：某些强电设备的测试对测试设备要求较高并且存在安全隐患；列车运行速 度较快，某些瞬态干扰难以捕捉；牵引电动机等车底设备在通常情况下测点难以 布置等等。而对电磁骚扰源进行合理的计算机仿真建模可以在一定程度上代替周 期长、费用高的实地测试，为解决动车组的电磁兼容问题带来极大的便利。 本文依据以上思路，对高速动车组过关节式电分相区时产生的骚扰电压、电 弧放电所产生的电磁骚扰及牵引电动机低频磁场等几种典型电磁骚扰的形成机理 进行了深入研究，应用电路、电磁场仿真软件对上述骚扰源进行建模仿真分析， 得到了相应的干扰特性。在此基础上，对上述三种电磁骚扰源进行了实地测量， 并与仿真结果进行比对，得到了一些较为有用的结论。 本文的主要研究内容及组织结构如下： 第一章：绪论。介绍电气化铁路的发展现状，说明研究题目的研究背景、发 展现状以及研究的意义。 第二章：高速动车组电磁环境概述。介绍高速动车组的电磁环境并对高速动 车组的电磁骚扰源进行分析。 第三章：高速动车组列车过关节式电分相区时电磁骚扰特性研究。本章对高 速动车组过关节式电分相区时所产生的骚扰电压形成机理进行分析，应用电路仿 真软件建立列车进入分相区时的等效电路模型，对骚扰电压的幅度、持续时间等 特性进行了分析，得到了过分相时接触网电压相位不同对骚扰电压幅值的影响。 在此基础上，对高速动车组过分相区时列车牵引变压器接地线上的电磁骚扰进行 了实地测量，与仿真结果进行了比对，验证了仿真模型的合理性。 第四章：高速动车组过分相时电弧放电产生的电磁骚扰特性研究。本章对高 速动车组过关节式电分相区时由于接触网与受电弓之间电弧放电所产生的电磁噪 声进行理论分析，应用电磁场仿真软件对该噪声源进行建模仿真，得到了相关的 传播特性，包括电磁噪声随距离的衰减特性、随高度的衰减特性、沿接触网方向 的传播特性等；并与列车正常运行时受电弓离线时所产生的电磁噪声进行比对。 此外，本部分对高速动车组过分相和离线时受电弓附近辐射电磁场的时域、频域 特性进行了实地测量。 第五章：牵引电动机周围低频磁场仿真分析。本章应用电磁场仿真软件对高 速动车组牵引电动机进行了建模仿真，得到了不同输入电流、不同频率下电动机 周围低频磁场的分布特性；并在不同工况下对车厢内部牵引电动机正上方的低频 磁场分布特性进行了实地测量。 第六章：结论和展望。在对上述三种典型电磁骚扰源进行仿真研究的基础上， 提出了一些重要结论。指出了本研究中存在的一些不足之处，继而提出了课题的 一些后续的研究方法和措施。 3 2 高速动车组电磁环境概述 2 1 电气化铁道简介 2 1 1 电气化铁路的牵引供电系统 电气化铁路由牵引供电系统和动车组等电力机车构成。牵引供电系统包括牵 牵引网和引变电所。牵引网是指由馈电线、接触网、轨道、回流线等设备构成的 输电线路。牵引供电系统简图如图2 1 所示【1 4 1 。 6 1 区域变电所或发电厂；2 一高压输电线；3 牵引变电所：4 馈电线； 5 接触网；6 钢轨；7 回流线：8 分区亭：9 动车组；1 0 开闭所 图2 1 电气化铁路牵引供电系统示意图 f i g u r e2 11 硼i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo f 廿l ee l e c 仃i f i e dm i l w a y s 各部分主要功能介绍如下： ( 1 ) 牵引变电所的主要功能是将电能从三相1 1 0 k v 或2 2 0 k v 变换为单相 2 7 5 k v 电源，然后通过馈电线分别供给牵引变电所两侧的接触网。变电所两侧的 牵引网区段被称之为供电分区或供电臂。 ( 2 ) 馈电线的主要作用是将牵引变电所和接触网连接起来。 ( 3 ) 接触网是一种直接悬挂在电气化铁道线路上方并且和铁路钢轨保持一定 距离的链型输电网，它通过与受电弓的接触把电能输给动车组，主要由接触线、 承力索以及悬挂和定位装置构成。 ( 4 ) 钢轨除了作为列车的导轨外，还是牵引电流的回流导线。 ( 5 ) 回流线是连接钢轨和牵引变电所的导线，把轨道中的牵引回流导入牵引 4 变电所。 ( 6 ) 分区亭的主要作用是操作两个牵引变电所之间用以连接两供电分区的开 关设备，实现灵活供电，提高运行的可靠性。 ( 7 ) 开闭所是一个不进行变压的配电所，主要是将从牵引变电所牵引母线上 引出的一路馈线按需要向分组接触网供电。 2 1 2 动车组车辆 高速动车组的电气线路按其作用的不同，可分为主回路、辅助电路和控制电 路，如图2 2 所示。三个电路通过电一磁、电一空、电一机械相互联系起来，从而 对列车进行控制。列车主回路是由与牵引电动机相连接的电器设备及导线构成的。 主回路中的电气设备多是牵引电动机、牵引变流器等高功率设备，由此，主回路 其实是列车上大电流、高电压的大功率动力回路。列车在运行过程中应满足起动、 变速和制动三个基本工作状态的需求，这是列车运行的基本规律，需通过列车主 回路、控制电路及辅助电路共同作用实现【1 5 1 。 图2 2 高速动车组电气线路示意图 f i g u 陀2 2e l e c t r i cc i r c u i t so f t i l eh i g hs p e e de m u s 高速动车组的主回路由牵引变压器、牵引变流器、牵引电动机组成。2 7 5 k v 单相交流电流经接触网、受电弓、主断路器，经牵引变压器变压后输入到牵引变 流器之中，经过牵引变流器的整流一逆变过程，接触网的单相电流转换成牵引供 电的整流电流。列车主电路中设有转换开关，在一组四象限变流器或逆变器发生 故障时可作相应的切除和转换，使得列车可以降低功率继续运行。当列车主回路 中电气设备发生短路、接地、过电压等故障时，系统设有相应的保护电路和器件， 5 从而能够避免电气设备因上述故障而损坏。其中，主断路器是列车的主要保护装 置，当列车主电路发生接地故障时，主断路器作为主要执行开关，可以起到分断 网侧电压的作用。 动车组的辅助电路的主要作用是为列车的主回路提供冷却，为制动系统提供 风源，为客车提供合适的电源等。辅助电路是否正常工作将直接影响到主回路的 工作状态，是保证列车准确、安全运行的关键。 控制电路是列车上三大电路中最复杂的电路，属于低电压、低电流小功率电 路。它由司机控制器、低压电器、主回路和辅助回路中的各种电磁线圈及电气设 备的触头连锁等组成。控制电路可以通过司机控制台上的开关和按钮控制列车上 其他电路中各种电子器件的动作，以保证列车正常的运行。 2 ：2 高速动车组电磁环境介绍 2 2 1电磁兼容的定义 电磁兼容1 1 6 j ( e l e c 廿o m a 印e t i cc o m p a t i b i l 畸e m c ) 是一门新兴的综合性学科。 根据国家军用标准g j b 7 2 8 5 电磁干扰和电磁兼容名词术语第5 1 0 条电磁兼容 定义为：“设备( 分系统、系统) 在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存 状态，即设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭到 不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其他设备( 分系统、系统) 因受其电 磁发射而导致或遭受不允许的降级。”电磁兼容的研究内容主要是围绕着电磁骚扰 源、传输途径和敏感设备三个要素进行的。 2 2 2 高速动车组的电磁环境 高速动车组与普通的电机机车相比，其具有牵引设备更多、牵引功率更大、 电气设备密度更高、配线更加复杂等特点。由于大量的强电、弱电设备和电缆线 束积聚在有限的空间内，使得动车组内部电磁环境极为复杂。另外，为了保障列 车的安全和效率，高速动车组内部大量使用无线通信设备及小型化、数字化、低 功率化的电子电力设备。在新的背景之下，考虑高速动车组内部电磁环境必须关 注以下三个方面的内容：一方面高速条件下必然会引起牵引功率和牵引电流的增 大，这使得弱电系统的外部电磁环境更加复杂；另一方面，无线通信设备会直接 导致射频辐射骚扰，高度集成电路以及小型化设备将带来更加严重的设备、电路、 连接线及电缆之间的串扰和电磁耦合，低功耗则意味着更高的设备灵敏度和更低 6 j 量塞銮适太堂亟堂僮论塞高速动奎组电磁巫撞拯述 的抗干扰能力；此外，还要考虑雷电电磁脉冲、静电放电等自然电磁干扰。由此， 高速动车组电磁性能的优劣将对列车的可用性、安全性、可靠性起到至关重要的 作用。 由以上的分析可以知道，高速动车组作为一个复杂而庞大的系统，电磁环境 极为复杂，其主要的特点包括【1 7 】： ( 1 ) 高速动车组是一个高速移动的物体；在运行的同时要把接触网上2 7 5 k v 的高压电能转换为数兆瓦的牵引功率。在大功率能量的转换过程中，因存在多种 形式的能量之间的转换，势必会带来大量的电磁干扰。 ( 2 ) 在高速动车组上装载了列控设备、通信调度设备、视音频设备等弱电设 备，这些弱电设备不可避免地与包括主断路器、主变压器、电抗器、主变流器、 各种辅助电机、牵引电动机、控制电源、冷却风机等大功率设备共同存在于有限 的空间中。对于弱电设备而言，主断路器、主变压器、主变流器和各种辅助电机 等高功率器件的发射无疑就成了主要的电磁干扰源。 ( 3 ) 列车上大量使用变流装置。变流装置一般使用晶闸管桥式整流，其可以 产生高次谐波。此外，晶闸管的快速通断还会产生高频噪声和瞬变脉冲。 ( 4 ) 列车上电子电力设备硬件电路中电压和电流的急剧变化，将会使器件承 受很大的电应力，并对周围的电器设备及电网造成严重的电磁干扰。 ( 5 ) 高速动车组运行环境恶劣、铁路沿线地形复杂，并且其处于高速移动当 中，使得高速动车组的电磁环境是在不断的动态实时变化的，这更给列车安全、 高效的运行带来了诸多难题。 2 3 高速动车组电磁骚扰源 高速铁路系统的电磁骚扰源众多，其形成机理和干扰特性也多种多样。在特 定情况下，某个特定的干扰源会成为另一系统或设备( 干扰源) 的受扰设备，而 某个特定的受扰设备本身也可能是另一系统或设备( 受扰设备) 的干扰源；大多数情 况下，受扰设备的干扰源往往不只一种，耦合途径也多种多样。高速动车组电磁 干扰的主要来源包括以下几个方面【1 8 】： ( 1 ) 牵引供电系统中接触网的额定电压为2 5 k v ； ( 2 ) 牵引电流取值可达数百安甚至上千安； ( 3 ) 动车组本身为非线性复载，在运行过程中其本身会产生大量的谐波成分 及电磁辐射。 高速动车组系统的骚扰源从空间的角度划分，可分为来自空中、车顶、车体 内以及车底的诸多噪声，如图2 3 所示。其中，空间的噪声主要来自各种移动通信 7 j 丝塞交通太堂亟堂焦趁塞直运动奎组电磁巫缝拯姿 信号( 主要包括g s m r 、无线列调等铁路专用通信信号，以及g s m c d m a 等公 众无线通信系统等) ；车顶的噪声主要是接触网噪声，即弓网离线和进出电分相区 时产生的电磁脉冲骚扰：车内噪声主要是由车内大功率开关电源设备、牵引设备、 空调系统等设备产生的电源谐波和电磁辐射、开关噪声等；车底存在的噪声主要 是由于钢轨中牵引电流所产生的。 暖 一i 争 蕊 。j 争 。i 嚣 ：镉 ， “赫 。 图2 3 从空间角度划分的电磁干扰源示意图 f i g u r e2 3e l e c h o m a g n e t i ci n t e r f - e r e n c es o u r c e sf b mas p a c ep e r s p e c t i v e 从高速动车组电磁骚扰源的频率范围而言，其覆盖了从直流、工频直至微波 射频段的频谱范围。主要包含直流或工频的牵引电流；工频段的相敏轨道信号； 音频段的轨道电路信号如z p w 2 0 0 0 ；短波波段的4 m h z 、2 7 m h z 点式应答器信号； 微波段的各信号主要来自各类无线通信系统、车号系统的射频识别信号、g p s 信 号等等。而接触网一受电弓系统所产生的脉冲电磁噪声的频谱则能覆盖从数十l ( h z 直到上g h z 的频率范围。 从干扰形式而言，高速动车组电磁骚扰源可分为传导、感应和辐射三种形式。 传导性骚扰的能量较大，具体表现形式包括：牵引回流不平衡对轨道电路设备造 成的影响、牵引电流中进入大地的电流分量引起的地电位升高、动车组受电弓与 接触网分离或列车过分相区过程中引起的过电流、过电压现象。感应耦合包括容 性耦合和感性耦合，主要考虑接触网高压电场感应引起的工频电场、牵引电流引 起的工频磁场等。辐射电磁场骚扰源主要包括由于受电弓与接触网之间放电产生 辐射电磁噪声及车内电子设备的辐射电磁噪声等等。 高速动车组电磁环境复杂，电磁骚扰源众多，在对电磁骚扰源进行分析的过 程中，若只依靠实验手段将会浪费大量的人力物力。合理的计算机仿真模型可以 在一定程度上代替周期长、费用高的现场测试。由此，本文将在在理论研究的基 础上对典型骚扰源进行建模仿真分析，以期得到其干扰特性和传播特性。 重 b 譬一 篓 蚀。一鸯 3 高速动车组过关节式电分相区时电磁骚扰特性研究 3 1 问题的提出 目前，我国电气化铁路所采用的是交流牵引供电系统。动车组使用的是单向 工频交流电，其对于牵引供电系统而言是一个大功率的单相负载，若仅从三相供 电系统中的某一相取电，则很容易造成上一级电网各相负载的严重失衡，这将导 致牵引供电网的上一级电力供电网络产生较多的负序电流，从而对上一级电网的 电能质量造成污染。为了减小这种污染，使高速动车组成为较为“干净 的负载， 在设计牵引供电系统时，每隔一定的距离都要对接触网采用换相联结的接电方式。 相邻的两相需要用电分相结构分开，同时对接触网的供电臂末端进行无功功率补 偿，以免造成供电臂末端电压损失。 电分相装置通常设置在牵引变电所的出口以及两牵引变电所之间( 供电臂末 端) 。在单边供电时，电分相装置应设置在两牵引变电所中间的适当位置，从而把 接触网分成两段，每段分别由一个牵引变电所供电。在双边供电时，应由两个牵 引变电所同时向此区段供电。 以前，我国电气化铁路多采用的是器件式电分相结构，其在列车运行速度较 低的情况下基本能满足需求。随着我国高速铁路的发展，器件式分电相结构和列 车速度之间的矛盾日益凸现。与器件式电分相相比，锚段关节式电分相由于其结 构较为特殊，可实现锚段和两个供电臂之间的平滑过渡，减少了接触网硬点，从 而减轻了列车通过分相时所造成的弓网破损。目前我国高速电气化铁路均采用锚 段关节式电分相，列车在将要进入分相区时，列车司机须先进行退级操作，关闭 辅助机组，断开主断路器，使得列车依靠惰性通过分相区；在通过电分相区以后， 列车司机须闭合断路器，恢复对列车的操作，从而完成过电分相的过程。 然而，伴随着列车速度的提高，动车组在通过关节式电分相时多次发生跳闸 事故，严重时可能击穿列车支持绝缘子、放电间隙等设备，损坏接触网导线、吊 弦、承力索【l 卅。另一方面，高速动车组在进出电分相区时，可以在列车内部的电 子电气设备上监测到明显的过电流和过电压现象，这将可能对列车控制设备、信 号设备的正常工作造成干扰。 事实表明，高速动车组过分相的问题以及其产生的电磁干扰问题已成为制约 高速电气化铁路发展的关键问题之一。对高速动车组过分相时产生的电磁骚扰的 形成机理和相关特性进行分析及研究将具有深远的意义。 9 3 2 锚段关节式电分相 对于2 0 0 l ( 1 1 1 l l 以上的高速电气化铁路，多采用锚段关节式电分相，其能使列 车在高速运行时，受电弓运行平稳并保证受流质量。锚段关节式电分相装置由两 个相邻的绝缘锚段关节和中间一段不带电的架空接触线组成，通常将这段架空接 触线称为中性段。关节式电分相根据长度可分为七跨式和九跨式，图3 1 为七跨关 节式电分相结构图【2 0 】。 。 ( a ) 俯视 ( b ) 正视 图3 1 七跨关节式电分相式意图 f i g u r e3 1s t n 蛐啪1d i a 舯mo f 7s p 锄o v e r l 印p i i l ge l e c t r i c ds e c t i o n i n gd e v i c e 从图3 1 中可以看出，七跨式电分相锚段关节中加入一个七跨长的中性嵌入 线，中性线能够保证在中间的5 个跨距内是绝缘的。中性线从左侧的z j 2 处开始 变为工作支，直到右侧的刁2 处开始抬升成为非工作支，其共有三个跨距长度处 于工作状态，可以保证1 0 0 1 5 0 m 长度的中性区域。绝缘锚段关节既可以实现电 气分隔，也可以实现机械方面的分离。 七跨绝缘锚断关节式电分相的技术标准对空气间隙的绝缘距离提出了较高要 求，只要一处间隙绝缘不能满足要求，整组分相绝缘功能将丧失。西安段内的七 跨绝缘锚断关节式电分相的主要技术参数如下所示1 2 1 1 。 ( 1 ) 中心柱处两承力索的水平间距为5 0 0 i l u n ，其误差为o 1 0 0 n u n 。抬高支 承力索比另一支承力索抬高5 0 0 i 姗以上。两支接触线与轨面距离相同，误差需小 于1 0 m m ，两支接触线的水平距离为5 0 u i l ，误差在0 5 0 i m n 之间。 ( 2 ) 中心柱处两支悬挂( 包括定位装置、支撑装置等) 之间的空气间隙需大于 5 0 0 m m 。 ( 3 ) 中心柱处的抬高支悬挂应在靠近支柱一侧( 顺线路方向) 。 ( 4 ) 转换柱处两支承力索的水平间距为5 0 0 m m ，误差在o 1 0 0 删【l l 之间。非 工作支承力索比工作支承力索抬高3 0 0 舢【i l ，误差在o 1 0 0 i 姗之间。两接触线的 水平间距为5 0 0 i 】 1 i i l ，误差在o 5 0 n u n 之间。非工作支接触线比工作支接触线抬高 l o 5 0 0 衄，误差为5 0 n 姐。非工作支的分段绝缘子及其接头的下端比工作支接触线 抬高3 0 0 蚴。 ( 5 ) 在转换柱和中心柱处，承力索应位于相对应接触线的正上方。 ( 6 ) 转换柱和锚柱之间加装一组电连接器，两支承力索之间的电连接线螺盘 为3 5 圈，圈径为线径的3 5 倍，承力索和接触线之间的电连接线不盘圈。 ( 7 ) 七跨式电分相内的其它设备( 定位装置、补偿装置、隔离开关、支撑装 置、分段绝缘子、导线接头、承力索接头、接触线拉出值和高度及坡度、下锚拉 线、吊弦等) 的技术标准按1 1 3 标准执行。 3 3 高速动车组过关节式分相区电气过程分析 3 3 1列车进入分相区时的电气过程 列车在通过关节式电分相区之前，列车司机将根据铁道边开端警示牌，完成 退级及断开主断路器的操作，列车上与接触网有直接电气连接的只有受电弓及其 高压引线。此时，动车组主回路将通过分布参数与受电弓及其高压引线实现电气 连接。若不考虑关节式电分相结构接触线( 接触网带电支) 与中性线之间的分布 电容，则列车进入关节式电分相时等效电路如图3 2 所示。 r s br j l i r 2l z r 。、，、“r 。7 7 7 、。 _ 一一 a c = 誊。 图3 2 列车进入关节式电分相时等效电路 f i g u 陀3 2e l c c t r i cs c h e m a t i cd i 越陋mo f e m u sa c r o s st h es p l i t - p h 丛er e g i o n 图3 2 中，a c 为2 7 5 k v 交流电源；足为变电站变压器等值电阻；厶为变电 站变压器等值电感；c ，为接触线对地电容；尺，为接触线等值电阻；三，为接触线电 感；c c 为主断路器两侧导线之间的分布电容；足为列车行驶状态下牵引变压器等 值电阻；厶为列车行驶状态下牵引变压等值电感：r 。为中性线等值电阻；厶为中 性线等值电感；c ，为中性线等值电容；k 为开关。图中，双向开关长时间至于左 侧时，表示列车已断开主断路器，受电弓与接触线( 接触网带电支) 接触；当双 向开关从左侧换向右侧时，代表列车经过接触线与中性线的等高点( 中心支柱) 后，受电弓直接与中性线接触，列车进入无电滑行状态。 由图3 2 可以看出，高速动车组进入关节式电分相时其等值电路是一个由电 感、电容、电阻组成的复杂振荡电路。列车在进入电分相时电路结构是在短时间 内发生突变的。经过一系列的变化，整个回路从原来的工作状态转变为另一种工 作状态。从理论上讲，电路结构的变化是突然发生的，但由于电路中感性、容性 负载的存在，使得电路中电流和电压均不能突变，由此电路从之前的状态过渡到 以后的稳定状态不能即刻完成，即出现所谓的暂态过程。在此过程中回路中的电 压电流除固有电源频率的强制震荡外，还会产生一个不同于电源频率并且随着时 间衰减的自由分量，我们称此自由分量为暂态分量。由于列车在进入分相时，电 路状态变化的时刻，即电源所处的相位是随机的，这两个分量的叠加值可能高出 正常工作电压的很多倍，从而电路中将出现过电流过电压现象，导致列车车顶绝 缘击穿、烧毁车载电子设备、甚至引起牵引变电所跳闸。高速动车组出分相区时 产生电磁骚扰的原因与其进入分相区时的原理基本相同，只是电路转换状态相反， 由此本章将重点讨论高速动车组进入分相区时的电气过程以及其产生的电磁干 扰。 动车组相当于一个感性复杂，列车进入电分相区的过程可以简单的看成是开 关断开感性负载的过程。断开感性负载的典型电路如图3 3 a 所示【2 2 j ，其中u 为交 流电压源、l 为电路中的感性负载、r 为电阻负载、c 为电路中的杂散电容。研究 开关断开感性负载引起的骚扰电压时，我们可以遵循以下的思路：首先应确定开 关断开前负载电感线圈中的电流，当开关断开后将负载电感线圈中的电流作为初 始条件来计算由于开关断开所引起的骚扰电压。 u cu ( a ) 切断感性负载回路( b ) 电流计算回路( c ) 过电压计算回路 图3 3 断开感性负载典型电路图 f i g u r e3 3e l e c t r i cs c h e m 撕cd i a 舯l t lo fs h u n i n go f fi n d u c t 觚c el o a d 图3 3 - b 为求解电感线圈中电流的等效电路。当开关闭合时，电源电压直接加 在负载线圈的两端，电感线圈中的电流大小为： 1 2 卜击 ( 3 - 1 ) r + i 1 l 、 。 式中，q 为电源电压的角频率。当电感线圈中的电流最大时，开关断开操作引起 的电磁骚扰最严重。通过计算，可以得到电感线圈中电流的最大值为： l 一 一 ( 3 - 2 ) 而后，依照图3 3 c 所示等效回路，可以根据电感线圈中的初始电流值计算开关断 开时引起的骚扰电压。由基尔霍夫电压定律可得： 三c 争堋鲁帆= 。 ( 3 - 3 ) 开关在电感线圈中电流最大的时候断开，电路中产生的骚扰电压最为严重。若忽 略杂散电容c 两端的初始电压材。，则电路的初始条件为： “。( 0 + ) = o( 3 4 ) 警f o + = 等 ( 3 - 5 ) 出i o +c 、。7 通常情况下，电路中的负载电感取值将远远大于杂散电容的参数值，即负载电阻 r 2 c ，电路将工作在欠阻尼振荡放电状态。由此，杂散电容c 两端的电压 为： = = 车半= = 亍8 叫s i n ( 缈2 r ) ( 3 6 ) 缈2 c r 2 + 功； 其中， 盯= r ( 2 上) 为衰减系数；彩2 = l ( c ) 一r 2 ( 4 r ) 为自由谐振角频率。 3 3 2 考虑接触线与中性线之间分布电容时的情况 我国电气化铁道由于采用单向交流供电方式，是以接触网一车体一钢轨( 大 地) 为回路的单向不对称供电系统。当牵引电流流过接触网时，将在接触网的周 围产生电磁场田j 。接触网正常工作时，关节式电分相结构中性线因受到接触线( 接 触网带电支) 的影响而产生感应电压，其主要是由于接触线与中性线之间的分布 电容产生的，此电压即为高速动车组进入分相区时中性线上的初始电压。由于接 触线与中性线距离较近，加之接触导线电压较大，所以中性线感应电压较大，因 此，在对列车过分相的电气过程进行分析时，接触线与中性线之间的分布电容的 作用不容忽视，如图3 4 所示。 列车进入关节式电分相区段时，列车主断路器已经断开，断路器两端导线之 间存在分布电容，以实现电气上的连接。当列车未到达接触线与中性线等高点的 中心支柱o 时，由于接触线与中性线之间存在分布电容，牵引电流将分两路流通， 即( 接触线一受电弓- 车体一钢轨) 以及f 2 ( 接触线一空气电容一中性线一中性线对地电 容一钢轨) ，如图3 5 所示。通常情况下，两通路的电流值均较小，由于此时列车主 断路器已经断开且线路两端的分布电容极小，故 ，一幺_ 。；o i 麓蕲，瓣誊， 2 4 p 一_ j 一，7 3 0 0 2 7 0 p m f o 吲酣t h e 悟：9 0 【d e 目 图4 9 模型4 _ l 在秒= 9 0 0 水平面上远场增益 f i g u r e4 9f a rf i e l dg a i no n 目= 9 0 0s u r f a c e ，m o d e l4 1 4 4 2 考虑车体影响时模型的仿真分析 在上一节的仿真分析中，我们忽略了高速动车组车体的影响。由于列车车体 为金属结构，它的存在应该会对仿真结果造成影响。为了得到金属车体对仿真结 果的影响，我们建立以下仿真模型4 2 ，如图4 1 0 所示。模型4 2 中车体尺寸为 2 5 宰3 5 率3 7 m ，车底距地面0 6 m ，为了更好的切合实际，车体设置为中空结构且两 侧丌窗。 妒夕 一一一 图4 1 0 考虑车体时的仿真模型4 - 2 f i g u r e4 1 0s i m u l a